Современные способы получения электрической энергии. Общие характеристики электрических станций ГЭС, ТЭС, ТЭЦ, АЭС, ВЭС и др.

Производство электрической энергии и ее потребление - процесс непрерывный и единый во времени. Электрическую энергию нельзя накапливать в больших количествах, не передавая ее потребителям. В каждый момент времени выработка электрической энергии должна соответствовать потреблению. Отдельные электростанции не могут обеспечить бесперебойную подачу электроэнергии. Поэтому по мере развития энергетики электрические станции, которые объединяют в системы, работают, параллельно на общую нагрузку. Их соединяют между собой линиями электропередачи.

Объединение электростанций в электроэнергетическую систему имеет важное значение для согласования работы станций различных типов, особенно тепловых и гидростанций. Мощности гидроагрегатов ГЭС в периоды паводков и в зимнее время различны. Весной основную нагрузку системы воспринимают гидростанции, на тепловых же станциях часть агрегатов останавливается, что дает возможность экономить топливо и проводить плановые ремонтные работы. В зимнее время роли тепловых и гидростанций меняются. Таким образом облегчается возможность создания экономически выгодных режимов для разных типов электростанций.

Создание энергосистем повышает надежность энергоснабжения и улучшает качество электроэнергии, обеспечивает постоянство напряжения и частоты, поскольку колебания нагрузки воспринимаются многими электрическими станциями.

Электроэнергетические системы линиями высокого напряжения объединены в более крупные объединенные энергосистемы (ОЭС). При параллельной работе нескольких энергосистем в составе ОЭС указанные преимущества проявляются в еще большей степени

В зависимости от вида используемых энергоресурсов и особенностей основного технологического процесса преобразования энергии электростанции подразделяют на тепловые (ТЭС), атомные (АЭС), гидравлические (ГЭС).

В настоящее время большая часть электроэнергии вырабатывается на этих станциях, причем основу советской энергетики составляют тепловые элекростанции.

На тепловых электростанциях преобразуется химическая энергия топлива сначала в механическую, а затем в электрическую.

Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут. Тепловые электрические станции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электростанций (ГРЭС).

Тепловые конденсационные электростанции имеют невысокий кпд (30- 40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора. Сооружать КЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этом потребители электроэнергии могут находиться на значительном расстоянии от станции.

Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60-70%.

Такие станции строят обычно вблизи потребителей - промышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают на привозном топливе.

Рассмотренные тепловые электростанции по виду основного теплового агрегата - паровой турбины - относятся к паротурбинным станциям. Значительно меньшее распространение получили тепловые станции с газотурбинными (ГТУ), парогазовыми (ПГУ) и дизельными установками.

Первая в мире атомная электростанция (АЭС), преобразующая энергию расщепления ядер атомов тяжелых элементов в электрическую, была построена в 1954 г. в Советском Союзе - Обнинская АЭС. Основным тепловым агрегатом АЭС, как и ТЭС, является паротурбинная установка. Средой, преобразующей тепловую энергию в механическую, также служит водяной пар. Принципиальное отличие АЭС от ТЭС состоит в том, что теплота, необходимая для выработки пара, получается не при сгорании топлива, а при расщеплении ядер тяжелых элементов в ядерных реакторах. Такими элементами являются природный изотоп урана-235 или получаемый искусственным путем изотоп урана-233 и плутония-239.

Из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, сколько при сжигании примерно 3000 т каменного угля.

За годы, прошедшие со времени пуска в эксплуатацию первой АЭС, было создано несколько конструкций ядерных реакторов, на основе которых началось широкое развитие атомной энергетики в нашей стране.

Атомные электростанции классифицируют по типу реактора и в зависимости от числа контуров, по которым теплота, выделяющаяся в реакторе, может передаваться рабочему телу (пару) паровой турбины. Тепловая схема АЭС может быть двух- и трехконтурной. Таким образом, в трехконтурной АЭС контуры первичного теплоносителя, которым могут быть вода и пароводяная смесь, и рабочего тела (пара) разделены. В этой схеме радиоактивный контур включает не все оборудование, а лишь его часть, что упрощает эксплуатацию. Радиационная безопасность персонала и населения, что является важной задачей при эксплуатации атомных электростанций, достигается созданием весьма надежных конструкций, устройств защиты персонала от облучения, очисткой воды и воздуха, извлечением и надежной локализацией радиоактивных загрязнений.

Гидроэлектрическая станция (ГЭС) вырабатывает электроэнергию с помощью падающего потока воды, создаваемого разностью уровней верхнего и нижнего водяного пространства (верхнего и нижнего бьефов).

Принцип работы электростанции заключается в том, что поток воды, падающей с верхнего бьефа, направляется на лопатки рабочего колеса гидротурбины, установленной на нижнем бьефе. Колесо гидротурбины вращает ротор электрического генератора, вырабатывающего электроэнергию. Мощность ГЭС зависит от расхода и напора воды.

Разновидностью ГЭС является гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), предназначенные для покрытия «пиковых» нагрузок и заполнения «провалов» в графиках потребления элекроэнергии. Работа ГАЭС заключается в смене двух раздельных во времени режимов: накопления энергии и отдачи ее потребителям. Такие станции оснащают обратимыми агрегатами, которые могут работать в режиме как двигателя, так и генератора.

Способность гидротурбинного оборудования ГЭС к быстрому изменению мощности позволяет использовать их для покрытия пиковой нагрузки и обеспечения равномерного режима работы тепловых и атомных электростанций.

Любая электростанция должна вырабатывать электроэнергию с возможно меньшими затратами. Для уменьшения стоимости 1 кВт установленной мощности на электростанциях одного и того же типа и параметров стремятся увеличить единичную мощность основных агрегатов и мощность электростанции в целом. Таким образом, с концентрацией мощностей удешевляется энергия и снижаются затраты на ее производство.

Всем известно, что в дореволюционной России при практически полном отсутствии электрификации сельского хозяйства крестьян выручали ветряные мельницы, которые мололи зерно. В настоящее время, к сожалению, такие мельницы прекратили свое существование, так как переработкой зерна занимаются крупные предприятия промышленности. Однако роль ветроэнергоустановок (ВЭУ) не потеряла своей актуальности для обеспечения энергией объектов, удаленных от центральных усадеб совхозов, колхозов.